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一种仿生机器鱼控制系统的研究与设计

李培培  
【摘要】:随着社会快速发展,陆地资源已经满足不了需求,国内外专家学者将开采方向投向了海洋,水下机器人的研究也随之得到了迅速发展。目前水下机器人工作效率低、持续工作时间短和噪声大等问题严重制约了水下作业任务的开展。针对该问题,仿生鱼类的水下航行器凭借其推进效率高、体积小、运动灵活等优点受到了广泛关注。根据对水下作业的需求,结合鱼类推进方式和机器人控制技术,搭载各种功能传感器模块,研究设计一种仿生机器鱼控制系统具有重要的研究价值和应用前景。本文选定仿鲹科三关节的机器鱼为研究对象,研究设计了一种低成本而高性价比的仿生机器鱼控制系统,主要研究内容如下:(1)对仿鲹科三关节机器鱼推进方式和功能需求进行研究与分析,提出仿生机器鱼控制系统的总体设计方案。本系统需要实现仿生机器鱼的运动、仿生机器鱼自主避障、仿生机器鱼数据采集和上位机监测四大功能。基于对嵌入式在仿生机器鱼中的应用研究,选用了STM32作为主控制器,控制舵机转动实现直行、转弯、上浮下潜等基本运动,同时控制机器鱼作业时实现自主避障。通过设计浮标置于水面上与上位机使用无线模块进行通信,将数据采集模块采集到的仿生机器鱼姿态、位置、水的温度、PH值信息上传到上位机进行显示。(2)对仿生机器鱼控制系统的软硬件进行设计。根据功能需求,对控制系统的主控制器模块、数据采集模块、运动执行模块、无线通信模块和电源模块进行选型和搭建;以硬件设计为基础,采用模块化设计思路,基于MDK5开发环境进行软件设计,包括各传感器数据采集、无线串口通信、舵机及舵机控制器、AD转换、IIC、串口通信等子程序的设计。为了方便操作者对仿生机器鱼的监测,将下位机控制系统采集到的数据通过无线串口通信传送到上位机界面进行显示,本文使用Lab VIEW工具设计了该仿生机器鱼控制系统的上位机界面,通过VISA函数实现串口通信。(3)针对仿生机器鱼避障决策能力,基于对仿生机器鱼实际避障需求分析和模糊控制研究,设计一个双输入—单输出的转角模糊控制器,通过红外测距传感器模块采集障碍物信息,使用模糊算法融合传感器采集到的距离数据,实现对障碍物方位的判断从而决策下一步动作。使用MATLAB专用的模糊逻辑工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)对设计的转角模糊控制器进行仿真验证了其有效性,并通过查表法实现模糊控制器的软件实现。本课题对设计的仿生机器鱼控制系统各个模块进行测试,连接各模块进行综合测试,在功能与性能方面基本能够满足初期设定的目标。特别地,针对避障问题,设计的转角模糊控制器优化了仿生机器鱼遇到障碍物的转弯控制。该控制系统可以搭载不同功能模块去代替人类完成不同的水下任务,作为一个实验平台进行后续扩展用于进一步研究和开发,该控制系统不仅考虑到了系统的可扩展性和实用性,还具有可移植性强和成本低廉等优点。


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